Leiter etter den manglande Higgs-partikkelen


– Det skjer vilt mange rare ting i universet like etter Big Bang, seier Anders Tranberg ved UiS. Han leier eit solid lag av forskarar som forskar på dei første sekunda etter Big Bang.

Fysikarar og kosmologar ved Universitetet i Stavanger er ivrige i å forska på det som kan fortelja oss endå meir om kva universet er laga av. 

– Eg er heilt besett av tanken på korfor det finst meir materie enn antimaterie i universet! Viss det frå starten hadde vore like mykje materie og antimaterie, hadde universet vore heilt tomt!

D
ét seier dansken Anders Tranberg – ein av fire yngre forskarar som med sitt fysikklag fekk ein del av potten på 39 millionar kroner som sist blei delt ut av UiS sitt eige toppforskingsprogram ToppForsk UiS.

Heftige greier, og det stoppar ikkje der, for no bidreg fysikkmiljøet i Stavanger både til korleis me kan få observert gravitasjonsbølgjer frå tida rett etter Big Bang, og korleis dei minste byggjesteinane oppfører seg i ekstremt tettpakka nøytronstjerner.

Den nye statusen er mellom anna blitt mogleg av at David Weir, «the boss of simulations», som ein kollega kallar han, for tida er i Stavanger på EU-pengar frå Marie Curie-programmet.

Meir om dette etter kvart, for kva er det eigenleg som har ført til at fysikkmiljøet ved universitetet har fått tilgang til pengane frå ToppForsk UiS-potten?

Samling i botn

Me må tilbake til 2009, fortel Anders Tranberg, då Forskingsrådet bestemte seg for å leggja kvaliteten av forskinga innan fysikkfaga i landet under lupa. På den tida brukte dei fleste fysikarane ved UiS tida si på undervising, og dermed blei det lite tid til forsking som kunne visa igjen på statistikkar over talet på fagartiklar i internasjonale tidsskrift.

UiS kunne på den tida heller ikkje tilby eit fullverdig fysikkstudium; fysikarane fungerte meir som ei støtte i undervisinga til ingeniørane på bruket. Med ei evaluering med klåre råd frå Forskingsrådet, bestemte miljøet seg for å gå til leiinga ved UiS med eit ambisiøst opplegg for å tilby bachelor og master i fysikk og matematikk, samstundes som ein ville tilby vegleiing for doktorgrada.

«Go», sa dei som bestemte, og då dette på same tid fall saman med eit generasjonsskifte ved fysikkstudiet, kunne Anders Tranberg pakka kofferten og ta til på ei fast stilling som professor i Stavanger.

Teoretisk fysikk

Med seg i kofferten hadde Tranberg mykje godt, mellom anna ei personleg bevilling frå Villum-fondet der han hadde høve til å tilsetja to postdoktorarar. Den eine av desse, , fekk han med seg til Stavanger. I denne prosessen tilsette ein også Tomas Brauner og Aleksi Kurkela. Kurkela arbeider for tida ved CERN i Sveits og skal vera der i tre år før han held fram med fast stilling i Stavanger.

I tillegg kom det inn stipendiatar, og dermed var det å setja i gang,  med temaet teoretisk fysikk.

– Det har synt seg, særleg på mitt felt, at det er mange interesserte fysikarar der ute, dyktige folk, som gjerne vil koma til Stavanger, seier Tranberg.

Forskar frå Curie-program

Tranberg søkte forskingsmidlar frå EU, på forskingsprogrammet som er oppkalla etter den dobbelte nobelprisvinnaren i både fysikk og kjemi, Marie Sklodowska-Curie. Gjennom det kom David Weir som postdoktor med ein kompetanse som skulle gje den teoretiske fysikken ved UiS nye moglegheiter. Det var som å få Lionel Messi på laget; Weir har løfta resten av miljøet opp på nye nivå, les me mellom linjene etter å ha intervjua fleire av dei tilsette.

Legg til at fysikkmiljøet før dette alt hadde liberoen Sigbjørn Hervik på laget. Han er matematikar, men dei reknar han som del av kosmologigruppa. Hervik har med seg ei toppforskarbevilling på 18 millionar kroner frå Forskingsrådet i matematisk kosmologi.

Teoretiske forskarnøtter

Og då er tida inne for å forstå meir om kva dei eigenleg forskar på, innanfor emnet teoretisk fysikk. Det er hovudsakleg tre ting, fortel Tranberg.

Det eine er inflasjon og kosmisk mikrobølgestråling. I ein vel etablert teori tenkjer ein seg at universet eit uendeleg kort tidspunkt etter Big Bang utvida seg eksplosivt og med ein fart som var hurtigare enn farten til lyset. Eksplosjonen skjedde i løpet av mindre enn eitt nanosekund og me kan sjå følgjer av den enno i dag fordi romtida har utvida seg sidan inflasjonen.  

Det andre området er baryogenese, Tranbergs eigen lidenskap, som prøver å finna gode forklaringar på korfor det er fleire partiklar enn antipartiklar i universet; enno eitt av dei uløyste problema i fysikken.

Det siste forskingsfeltet er ekstrem QCD, som handlar om den sterke kjernekrafta og kva som skjer når dei minste byggjesteinane blir utsett for ekstrem høg temperatur og trykk. 

Tranberg har nettopp publisert ein oversynsartikkel om dette i Review of Modern Physics, saman med Jens Oluf Andersen ved NTNU.

Ein ny higgspartikkel?

Var du blant dei som trudde at partikkelfysikkens standardmodell var i mål då folka ved CERN i Sveits i 2012 oppdaga Higgs-bosonet, også kalla higgspartikkelen, så er det ikkje heilt slik, ifølgje Anders Tranberg.

– Standardmodellen har alle dei ingrediensane som skal til, viss berre verdiane av visse fysiske standardar hadde vore rette. Viss massen til higgspartikkelen hadde vore lågare og viss brotet i CP-symmetrien (som handlar om i kva grad fysikklovene er ulike for partiklar og antipartiklar), hadde vore større, så ville det ha verka, men det er det ikkje!

– Altså er det ikkje nok med éin higgspartikkel, det må vera éin til, forklarar Tranberg og legg til at det irriterer han at dei ikkje finn ut av det!

Så det han og nokre kollegaer no prøver å finna ut av, er kva masse og kjernekraft denne ekstra higgspartikkelen skal ha. Ein gjeng på 200–300 forskarar verda over arbeider for tida med dette, og mange av dei kom til konferansen som fysikkmiljøet i Stavanger hadde invitert til i byen i juli i år.

Datakraft

Metoden dei mellom anna brukar for å koma på sporet, er såkalla numeriske simuleringar, altså at ein puttar tal frå ulike likningar inn i store datamaskinar. Slike finst det fleire av, mellom anna maskinen «Abel» ved Universitetet i Oslo. David Weir hadde behov for endå meir datakraft, og fekk tilgang til superdatamaskinar i 100 millionar euro-klassa ved det europeiske senteret PRACE.

– Som teoretikarar brukar me ikkje laboratorium eller gjennomfører eksperiment som ved CERN, men nokon gonger har me behov for store datamaskinar til å gjera utrekningar, seier Tranberg.

Vilt å oppdaga gravitasjonsbølgjer

Det kosmologiske miljøet på UiS er no knytt opp til prosjektet eLISA, gjennom Tranberg, og postdoktorarbeida til David Weir og Angelo Ricciardone.

Anders Tranberg var blant dei som blei fascinert av resultata som tikka inn i februar om at det var observert gravitasjonsbølgjer i LIGO-prosjektet.

– Det var heilt vilt det som skjedde. Teoretisk hadde ein føresagt korleis signalet skulle sjå ut – det var snakk om eit heilt spesifikt signal – og så syner det seg at det stemmer. Det er snakk om signal på eitt millisekund, frå ei astrofysisk hending som skjedde éin milliard lysår borte, som ein altså har målt, det er sinnssjukt, seier Tranberg.

Han reknar det som sannsynleg at folka i LIGO kjem til å få Nobelprisen i fysikk for arbeidet.

Oppdaginga av gravitasjonsbølgjene varmar eit fysikarhjarta av minst to grunnar, skal me tru Tranberg.

– For det første er det jo det som manglar for at den generelle relativitetsteorien til Einstein kan vera endeleg. Det hadde ikkje vore så bra om me ikkje oppdaga dei viktige gravitasjonsbølgjene! Men det som kanskje er enno meir spesielt, er at me no kan måla astrofysiske hendingar, som for eksempel to svarte hol, seier Tranberg.

Og korfor er det spesielt?

Jo, all anna astronomi er basert på at ein målar ljos – elektromagnetiske bølgjer –  i ulike bølgjelengder, slik som røntgenstråler og mikrobølgjer. Det er den kosmiske bakgrunnsstrålinga som gir oss informasjon om dette.

– For første gong er det ein heilt annan type stråling me målar; stråler som går gjennom stjerner, planetar, støv og gass, utan at det blir påverka av noko. Den går berre tvers gjennom, og dette er ein solid game changer, utbryt Tranberg begeistra.

Ein liten mellomstasjon

Med den kosmiske bakgrunnsstrålinga kan ein berre observera astronomiske fenomen som går tilbake til rundt 350.000 år etter Big Bang. Først då var nemleg universet så «kaldt» at det kunne lagast atom med nøytrale proton og elektron. Før den tid besto universet av eit slag plasma som var elektrisk ladd, og der kunne ikkje ljoset koma gjennom.

Gravitasjonsbølgjer er ikkje det same som elektromagnetiske bølgjer, og observasjonen av gravitasjonsbølgjene gjev næring til den våte draumen til astrofysikarane, altså å få sjå gravitasjonsbølgjer frå den heilt spede barndomen til universet, altså Big Bang og tida rett etter.

Einaste eLISA-medarbeidarar i landet

Mellom fem og ti arbeidsgrupper med rundt 50 forskarar i kvar er no i sving for å koma med innspel på kvar sine felt til European Space Agency (ESA). ESA står bak eLISA-prosjektet og eit eige panel skal samla resultata og ut frå dei avgjera kva som skal brukast til å setja opp laboratoriet i verdsrommet.

Dei tre forskarane i Stavanger er dei einaste i landet som er med i eLISA, og dei har hatt to workshops så langt, den andre av desse var i Stavanger i september 2015. Gruppa har så langt skrive to rapportar; den eine om faseovergangar, og den andre om inflasjon som kjelde til gravitasjonsbølgjene.

Alt heng saman med alt

Sjølv om eLISA føregår langt ute i verdsrommet, og skal forska på gravitasjonsbølgjer, er det sentrale bidrag frå partikkelfysikken, altså kunnskapen om dei aller minste byggjesteinane, som er nyttige når ein skal ta det neste steget. Tomas Brauner, førsteamanuensis, er blant dei som no forskar på kva som skjer med desse byggjesteinane viss du set dei under ekstremt høgt trykk og/eller temperatur.

Les artikkel om Brauners forsking: Fant missing link i vel brukt fysikk-modell

– Det skjer vilt mange rare ting i universet like etter Big Bang. Derfor er det nokon som meg som gjer både partikkelfysikk og kosmologi, fordi det heng saman, seier Tranberg.

I haust forsvinn fire fysikarar – to postdoktorar og to stipendiatar – frå fysikkmiljøet ved UiS. Då passar det godt at Tranberg er blant dei som kan fylla på med nye som følgje av pengane frå ToppForsk-potten.

Referanse:

Jens O. Andersen, William R. Naylor og Anders Tranberg (2016): Phase diagram of QCD in a magnetic field, Reviews of Modern Physics, nummer 88, utgåve 2, apriljuni 2016.

Tekst: Elisabeth Hovland
Foto: Asbjørn Jensen

(Artikkelen vart fyrst publisert 08.02 2017)


Sist oppdatert av Leiv Gunnar Lie (16.10.2017)

Skriv ut artikkel print symbol
Gruppebilde av  Sigbjørn Hervik, Anders Tranberg, Mark Philip Bogers, Anders Haarr og Angelo Ricciardone.
KOSMOLOGI-GJENGEN: I front frå venstre står Sigbjørn Hervik, Anders Tranberg og Mark Philip Bogers. Bak frå venstre står Anders Haarr og Angelo Ricciardone.
Foto av Anders Tranberg
Anders Tranberg har samla eit elitelag i astropartikkelfysikk ved UiS. Den unge danske professoren ved UiS er heilt besett av tanken på korfor det finst meir materie enn antimaterie i universet.